一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的方法

1.本技术涉及医学超声测量技术领域，尤其涉及一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的方法。


背景技术：

2.超声波是频率大于2万赫兹的声波，具有方向性好、穿透性强的特点，在超声波测厚、成像等技术上有较良好的应用。利用超声波发射装置对待测目标发射超声信号，信号遇到待测界面后会产生回波信号，利用超声波接收器记录回波信号并提取其旅行时后，若已知待测目标的厚度可以估算其声速度参数，若已知待测目标声速度则可估算其厚度。以上就是传统超声测厚或测速技术的基本原理，利用具备发射接收功能的超声探头即可实现相关技术。
3.超声测速(测厚)的实际应用中，要得到精准的测量值，不但要准确地提取发射声波和记录回波的到时差(旅行时)信息，还要确切地获取待测目标的厚度(声速)信息。由于声速和厚度共同决定了回波旅行时，因此在单次发射观测中，在测得旅行时后，须知道声速厚度其中之一才能确定另一项。传统测量均匀待测目标时，一般要求目标的声速度参数已知，进而可测量其厚度，或者目标的厚度可通过其他方法获取(尺测法)进而可测量其声速度。
4.在经颅超声成像和神经调控领域中，开发高分辨率的新型成像技术对实时、精确的颅骨厚度和声速测量有较高的要求。由于颅骨的非均质性和个体差异，且难以通过取样测量形成标定参数，因此利用传统方法原位测量颅骨的厚度和声速仍具有较大难度。


技术实现要素：

5.为了解决上述的问题，本技术提供了一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的方法，能够原位准确测量出颅骨的声速和厚度。
6.为此，本技术采用如下技术方案：
7.第一方面，本技术提供了一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的方法，采用多阵元探头发射超声波后采集反射回波；根据反射回波的双曲线形态获取颅骨待测位置中超声波传播的速度；最后利用声速和反射到时计算颅骨待测位置的厚度；其中，多阵元探头包括n个阵元，n为大于等于2的正整数，所述方法包括：获取n个发射阵元的反射回波数据，其中，n个发射阵元按设定顺序逐个向颅骨待测位置发射超声波，阵列上与发射阵元成中心对称的阵元接收超声波的反射回波；将n个发射阵元的反射回波数据排列在一起，形成n个发射阵元的波列图；根据所述波列图提取n个发射阵元的正入射反射到时对应的声压振幅值，叠加所提取的声压振幅值形成叠加振幅值谱，波列图对应的叠加声压振幅值最大处为等效匹配速度；根据多个叠加声压振幅值最大处的等效匹配速度和正入射反射到时，计算颅骨待测处的声速和厚度。
8.作为一个可以实现的实施方式，所述获取n个发射阵元的反射回波数据，包括：第i
号阵元发射则n-i+1号阵元接收，所有接收的波列排列在一起形成观测数据d(i,t)，其中i代表发射点位置，t表示记录时间。
9.作为一个可以实现的实施方式，所述将n个发射阵元的反射回波数据排列在一起，形成n个发射阵元的波列图，包括：其中的反射回波在共计n道上的到时呈双曲排列：
[0010][0011]
其中t为反射到时,xi表示阵元i的横向空间位置，d为待测颅骨厚度，t0为正入射反射到时，v
等效
为等效速度。
[0012]
作为一个可以实现的实施方式，所述根据所述波列图提取n个发射阵元的正入射反射到时对应的声压振幅值，包括：每一组考虑t0和v
等效
在数据集d上对应一条确定的双曲线,遍历合理的t0和v
等效
组合，每次都沿着双曲线叠加d上对应的声压振幅值，设叠加振幅值谱d，则叠加方法为：
[0013]
d(t0,v
等效
)＝∑i|d(i,ti)|，
[0014]
d(t0,v
等效
)＝∑id2(i,ti)，
[0015]
或中的任意一种。
[0016]
作为一个可以实现的实施方式，所述根据多个叠加声压振幅值最大处的等效匹配速度和正入射反射到时，计算颅骨待测处的声速和厚度，包括：根据多个反射回波数据，可拾取多组t0和v
等效
，并通过迪克斯公式将其转化为速度随深度方向的变化，确定速度突变的顶部和底部，获取颅骨厚度v
颅骨
，然后根据顶底的t0信息联合v
颅骨
计算d
颅骨
。
[0017]
作为一个可以实现的实施方式，所述速度突变的顶部和底部对应两组t0和v
等效
，即和其中
[0018]
在该实施方式中，。
[0019]
作为一个可以实现的实施方式，颅骨中超声传播速度为：作为一个可以实现的实施方式，颅骨中超声传播速度为：颅骨厚度为：
[0020]
第二方面，本技术提供一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的装置，其特征在于，包括：数据采集模块，用以获取n个发射阵元的反射回波数据，其中，n个发射阵元按设定顺序逐个向颅骨待测位置发射超声波，阵列上与发射阵元成中心对称的阵元接收超声波的反射回波；数据处理排列模块，用以获取n个发射阵元的反射回波数据，其中，n个发射阵元按设定顺序逐个向颅骨待测位置发射超声波，阵列上与发射阵元成中心对称的阵元接收超声波的反射回波；将n个发射阵元的反射回波数据排列在一起，形成n个发射阵元的波列图；等效匹配速度叠加获取模块，用以根据所述波列图提取n个发射阵元的正入射反射到时对应的声压振幅值，叠加所提取的声压振幅值形成叠加振幅值谱；波列图对应的叠加声压振幅值最大处为等效匹配速度；声速厚度计算模块，用以根据多个叠加声压振幅值最大处的等效匹配速度和正入射反射到时，计算颅骨待测处的声速和厚度。
[0021]
第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；和至
少一个处理器，用于执行所述存储器存储的程序，当所述存储器存储的程序被执行时，所述处理器用于执行如第一方面任一所述实施的所述方法。
[0022]
第四方面，本技术实施例提出的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当所述指令在终端上运行时，使得第一终端执行如第一方面任一所述实施的所述方法。
[0023]
由以上方案可知，本技术具有以下优点和有益效果：
[0024]
1.本技术能够在无需对颅骨取样的条件下，利用超声波探头的发射工艺和数据处理算法，准确、快速、有效地同时确定颅骨的厚度以及超声波在颅骨中的传播速度。
[0025]
2.本技术获取的颅骨速度和厚度信息，可应用在经颅超声成像中，通过改善超声信号因为穿过颅骨产生的信号畸变显著提高成像质量，为帕金森等神经疾病的诊断提供更好的影像学证据。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本技术实施例中提供的一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的方法流程示意图；
[0028]
图2为本技术实施例中多阵元超声换能器的发射、接收方式示意图；
[0029]
图3为本技术实施例中采集环境示意图；
[0030]
图4为本技术实施例中某一个发射阵元的波列图：横坐标为发射阵元与接受阵元间距；
[0031]
图5为本技术实施例中通过波列选取等效匹配速度示意图，用以示意叠加振幅谱的生成；
[0032]
图6为本技术实施例中不同等效匹配速度下的叠加振幅示意图；
[0033]
图7为本技术实施例中提供的x-ct颅骨模型横切面示意图：黑框标记颞骨；
[0034]
图8为本技术实施例提供的一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的装置示意图；
[0035]
图9为本技术的实施例提供的电子设备示意图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
[0037]
在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员来说将明显的是，不需要采用具体细节来实践本技术。在其他情况下，未详细描述众所周知的步骤或操作，以避免模糊本技术。
[0038]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0039]
在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三等”或模块a、模块b、模块c等，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本技术实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
[0040]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本技术实施例的目的，不是旨在限制本技术。
[0041]
超声测速(测厚)的实际应用中，要得到精准的测量值，不但要准确地提取发射声波和记录回波的到时差(旅行时)信息，还要确切地获取待测目标的厚度(声速)信息。而在实际应用中往往不能提前获知待测目标的厚度(声速)信息，因此采用常规超声测速(测厚)方法无法对待测目标厚度和声速进行准确的测量。因此，本发明提供了一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的方法，用于原位测量颅骨的厚度和声速。
[0042]
图1为本技术实施例中提供的一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的方法流程示意图，如图1所示，本技术提供了一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的方法，采用多阵元探头发射超声波后采集反射回波；根据反射回波的双曲线形态获取颅骨待测位置中超声波传播的速度；最后利用声速和反射到时计算颅骨待测位置的厚度；其中，多阵元探头包括n个阵元，n为大于等于2的正整数，方法包括：
[0043]
s1、获取n个发射阵元的反射回波数据，其中，n个发射阵元按设定顺序逐个向颅骨待测位置发射超声波，阵列上与发射阵元成中心对称的阵元接收超声波的反射回波。
[0044]
图2为本技术实施例中多阵元超声换能器的发射、接收方式示意图。如图2所示，多阵元探头可以是多阵元超声换能器，包括n个阵元，其中每一个阵元逐个发射超声波，发射顺序可以根据设定的顺序进行。此时，发射超声波的阵元称为发射阵元(如阵元i)，其中，发射阵元发射超声波后也是接收阵元，且超声波的反射回波包括反射波、折射波等，采集到的回波数据为声学数据。需要说明的是，本方案考虑多个阵元纵向为同一高度(参阅图2)。
[0045]
在一个具体的实施方式中，第i号阵元发射则n-i+1号阵元接收，所有接收的波列排列在一起形成观测数据d(i,t)，其中i代表发射点位置，t表示记录时间。需要说明的是，本实施方式中，观测数据d(i,t)包含n个回波数据。
[0046]
图3为本技术实施例中一种采集环境示意图。如图3所示，本技术实施例需在水浸环境或使用耦合剂的条件下进行超声测厚。例如，测量工件的厚度时采用水浸工件的环境，在测量人类或动物颅骨的厚度时，探头与颅骨中间可采用水囊、水凝胶、耦合剂等方法耦合。
[0047]
步骤s2、将n个发射阵元的反射回波数据排列在一起，形成n个发射阵元的波列图。
[0048]
图4为本技术实施例中某一个发射阵元的波列图：横坐标为发射阵元与接受阵元间距。如图4所示，将采集到的多阵元超声换能器n个阵元中的一个发射阵元的回波数据按照设定好的顺序排列，可以按照发射阵元的发射顺序进行排列，也可以按照接收阵元接收到回波的时间先后顺序排列，还可以按照多阵元超声换能器的阵元矩阵排列顺序进行排列。
[0049]
在一个较为优选的实施例中，阵元发射超声波的顺序与阵元矩阵的排列顺序相同，因此，在本实施方式中，将步骤s1采集到的多阵元超声换能器其中的n个发射阵元的回波数据按照发射阵元发射超声波的顺序进行排列，排列后得到一幅n个发射阵元的波列图，其中反射波到时表示一个时间，记录的是从发射阵元发射超声波开始，至接收阵元接收到该超声波回波的时间。
[0050]
根据上述排列方法，将步骤s1中采集到的所有阵元分别作为发射阵元的回波数据进行排列，得到所有阵元作为发射阵元的多个波列图，在本方案中，将得到n个波列图。
[0051]
步骤s3、根据所述波列图提取n个发射阵元的正入射反射到时对应的声压振幅值，叠加所提取的声压振幅值形成叠加振幅值谱，波列图对应的叠加声压振幅值最大处为等效匹配速度。
[0052]
在一个可能的实施例中，可以从某一发射阵元的波列图中提取正入射反射波到时对应的叠加的振幅图。
[0053]
每一个发射阵元对应的波列图中均包含一个正入射反射波的振幅图，在每一个接收阵元的回波数据上均包含正入射反射波，因此在本实施例中，将得到n个正入射反射波到时对应的叠加振幅图。
[0054]
在一个可能的实施方式中，将i号阵元发射则n-i+1号阵元接收，所有接收的波列排列在一起形成观测数据d(i,t)，其中i代表发射点位置，t表示记录时间。其中，不同个i阵元处的反射波到时呈双曲线排列，反射波到时ti与正入射反射波到时t0的函数关系可用如下公式表示：
[0055][0056]
其中t为反射到时,xi表示阵元i的横向空间位置，d为待测颅骨厚度，t0为正入射反射到时，v
等效
为等效速度。
[0057]
图5为本技术实施例中通过波列选取等效匹配速度示意图，用以示意叠加振幅谱的生成；图6为本技术实施例中不同等效匹配速度下的叠加振幅示意图。参阅图5和图6，从每一个发射阵元对应的波列图中提取正入射反射波的振幅图，在正入射反射波到时t0处的振幅对应不同的声速(v1、v2、v3)双曲线，然后叠加不同阵元在对应时间t处的振幅，取振幅叠加最大处的速度为等效匹配速度，该图中振幅叠加最大处的速度是v2，因此，确定v2是发射阵元在正入射反射波到时的等效匹配速度。
[0058]
根据上述方法，确定出所有阵元在正入射反射波到时的等效匹配速度，在本实施例中，将确定出n个等效匹配速度。
[0059]
在一个可能的实施例中，每一组考虑t0和v
等效
在数据集d上对应一条确定的双曲线,遍历合理的t0和v
等效
组合，每次都沿着双曲线叠加d上对应的声压振幅值。叠加方式有多种可选方法，设叠加振幅值谱d，则：
[0060]
d(t0,v
等效
)＝∑i|d(i,ti)|，
[0061]
d(t0,v
等效
)＝∑id2(i,ti)，
[0062][0063]
双曲线对应的叠加声压振幅值最大处即为等效匹配速度。
[0064]
步骤s4、根据多个叠加声压振幅值最大处的等效匹配速度和正入射反射到时，计算颅骨待测处的声速和厚度。
[0065]
颅骨测厚场景下记录到的超声反射波主要包括颅骨外界面和内界面的两组反射，叠加振幅谱上也相应地应有两个能量汇聚点，对应两组t0和v
等效
，即和其中
[0066]
水(或水凝胶、耦合剂)和颅骨组成两层模型，其中水(或水凝胶、耦合剂)的声速为v
水
，颅骨的声速为v
颅骨
，则可计算
[0067]
此外，因可知等效速度为：
[0068][0069]
进而可知颅骨种超声传播速度为：
[0070][0071]
以及颅骨厚度为：
[0072][0073]
若反射波较多，说明颅骨结构更复杂，可拾取多组t0和v
等效
，并通过迪克斯公式将其转化为速度随深度方向的变化，确定速度突变的顶部和底部，获取颅骨厚度v
颅骨
，然后根据顶底的t0信息联合v
颅骨
计算d
颅骨
。
[0074]
为了更完全地理解本技术，给出了下面的实施例。这些实施例是用于具体说明本技术的实施方案，而不应以任何方式将其理解为是对本技术范围的限制。
[0075]
实施例1
[0076]
如图2所示，利用64阵元5兆赫兹线阵探头(阵元间距为0.2毫米)测量颞骨厚度，待测颅骨为离体模型，原位测量颅骨厚度和声速的方法步骤如下：
[0077]
a、在水浸环境下，利用多阵元超声换能器的每一个阵元，逐个发射超声超声波，每次发射时，阵列上与发射阵元成中心对称位置的阵元接收超声波数据。采集环境如图3所示。
[0078]
b、将所有接收的波列排列在一起，获取如图4示例的波列图。利用前述的处理方法，遍历合理的t0和v
等效
组合，每次都沿着双曲线叠加d上对应的声压振幅值，获取如图6所示的叠加振幅谱。
[0079]
c、拾取能量最强2点处的参数和此参数对应图4中线条标注的2条叠加曲线。
[0080]
根据拾取的参数组合计算此处颅骨的速度
[0081][0082]
和厚度为：
[0083][0084]
d、如图7所示，比照x-ct扫描图中此横切面处的颅骨厚度可知，测量结果具有较好的准确度。
[0085]
图7为本技术实施例提出的一种超声波原位测量颅骨厚度和声速的装置示意图。如图7所示，装置包括：数据采集模块，用以获取n个发射阵元的反射回波数据，其中，n个发射阵元按设定顺序逐个向颅骨待测位置发射超声波，阵列上与发射阵元成中心对称的阵元接收超声波的反射回波；数据处理排列模块，用以获取n个发射阵元的反射回波数据，其中，n个发射阵元按设定顺序逐个向颅骨待测位置发射超声波，阵列上与发射阵元成中心对称的阵元接收超声波的反射回波；将n个发射阵元的反射回波数据排列在一起，形成n个发射阵元的波列图；等效匹配速度叠加获取模块，用以根据所述波列图提取n个发射阵元的正入射反射到时对应的声压振幅值，叠加所提取的声压振幅值形成叠加振幅值谱；波列图对应的叠加声压振幅值最大处为等效匹配速度；声速厚度计算模块，用以根据多个叠加声压振幅值最大处的等效匹配速度和正入射反射到时，计算颅骨待测处的声速和厚度。
[0086]
图9为本技术的实施例提供的电子设备示意图。如图9所示，包括：至少一个存储器1102，用于存储程序；和至少一个处理器1101，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储1102的程序被执行时，处理器1101用于执行上述任一实施例的方法。
[0087]
本技术实施例提出的一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当所述指令在终端上运行时，使得第一终端执行如上述任一所述实施的所述方法。
[0088]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术实施例的范围。
[0089]
此外，本技术实施例的各个方面或特征可能成方法、装置或使用标准编程和/或工程技术的制品。本技术中使用的术语“制品”涵盖可从任何计算机可读器件、载体或介质访问的计算机程序。例如，计算机可读介质可以包括，但不限于:磁存储器件(例如，硬盘、软盘或磁带等)，光盘(例如，压缩盘(compact disc，cd)、数字通用盘(digital versatile disc，dvd)等)，智能卡和闪存器件(例如，可擦写可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，eprom)、卡、棒或钥匙驱动器等)。另外，本文描述的各种存储介质可代表用于存储信息的一个或多个设备和/或其它机器可读介质。术语“机器可读介质”可包括但不限于，无线信道和能够存储、包含和/或承载指令和/或数据的各种其它介质。
[0090]
应当理解的是，在本技术实施例的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术
实施例的实施过程构成任何限定。
[0091]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0092]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0093]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0094]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者接入网设备等)执行本技术实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0095]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，其依然可以对前述各实施例中所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例中技术方案的精神和范围。